A formal Fe(III/V) redox couple in an intercalation electrode

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作者
Hari Ramachandran,Edward Mu,Eder G. Lomeli,Augustin Braun,Masato Goto,Kuan H. Hsu,Jue Liu,Zhelong Jiang,Kipil Lim,Grace M. Busse,Brian Moritz,J. J. Kas,John Vinson,J. J. Rehr,Jungjin Park,Iwnetim I. Abate,Yuichi Shimakawa,Edward I. Solomon,Wanli Yang,William E. Gent
出处
期刊: 被引量:1
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2024-jhbqx
摘要

Iron is the most abundant transition metal in Earth’s crust, and redox cycling between its well-known low-valent oxidation states of FeII and FeIII drives crucial processes in nature. The FeII/III redox couple charge compensates cycling of lithium iron phosphate, a positive electrode (cathode) for lithium-ion batteries. High-valent iron redox couples, involving formal oxidation higher than FeIII, could deliver higher electrochemical potentials and energy densities. However, because of the instability of high-valent Fe electrodes, they have proven difficult to probe and exploit in intercalation systems. In this work, we report and characterize a formal FeIII/V redox couple by revisiting the charge compensation mechanism of (de)lithiation in Li4FeSbO6 (LFSO). Valence-sensitive experimental and computational core-level spectroscopy reveal a direct transition from FeIII (3d5) to a negative charge-transfer FeV (3d5L2) ground state upon delithiation, without forming FeIV. Exhibiting resistance to calendar aging, high operating potential, and low voltage hysteresis, the FeIII/V redox couple in LFSO provides a framework for developing sustainable, Fe-based intercalation cathodes for high-voltage applications.
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